专利名称：超声波流量计及其制造方法
技术领域：
本发明涉及利用超声波测量气体、水等流体的流量的超声波流量计及其制造方法。
背景技术：
在特开昭60-115810号公报中公开了如图17所示的现有的超声波流量计。弯成直角的弯曲部2、3设置在流路1的上游和下游，一对的超声波振子(以下称为振子)4、5分别固定在弯曲部2、3的壁面的外侧。图中的箭头表示流体的流动方向。利用这样的结构，从上游侧的振子4，与流体的流动方向平行地发出超声波。下游侧的振子5接收该超声波，测量从振子4到振子5的超声波的传播时间。另外，相反地，由振子5与流动相反地发出超声波，由振子4接收该超声波，测量从振子5至振子4的超声波传播时间。然后，由该二个传播时间计算在流路1中流动的流体的平均流速。根据预先得出的流路1的截面积等，测量流体的流量。
然而，在这种超声波流量计中，由于弯曲部2、3等，在液体中不规则地产生旋涡，在流路1内不规则地产生停滞点等，使流量测量产生误差。而且，当流过大流量时，流体的流动使超声波振动的传播线路弯曲，接收灵敏度降低。另外，当流过大流量时，由于测量流路的截面积�。匝沽λ鹗Т螅枰牧髁苛鞑怀隼�。作为其对策，当增大流量流路的截面积时，超声波振子间的距离加大，必须用大的输出来发出信号，因此消耗电流增大。
发明内容
本发明的超声波流量计，具有流体流动的管状的本流路和将本流路内部分割成多个小流路的分割构件。在小流路的一部分上设置测量流路。在测量流路侧面上，与流体流动方向倾斜地设置发送、接收超声波的一对的超声波振子。利用该结构，通过测量在流路内流动的流体的一部分的流量，可以计算求出在本流路中流动的流体的全流量。另外，本流路和测量流路，与流体的供给管路平行地配置连接，因此不会扰乱流体的流动。因此，可以更高精度地进行流量测量。
图1是本发明的实施方式1的超声波流量计的正面剖面图。
图2是图1所示的超声波流量计的侧面剖面图。
图3是本发明的实施方式2的超声波流量计的侧面剖面图。
图4是本发明的实施方式3的超声波流量计的侧面剖面图。
图5是本发明的实施方式4的超声波流量计的正面剖面图。
图6是本发明的实施方式5的超声波流量计的侧面剖面图。
图7是本发明的实施方式6的超声波流量计的正面剖面图。
图8是本发明的实施方式7的超声波流量计的侧面剖面图。
图9是图8所示的超声波流量计的正面剖面图。
图10是图8所示的超声波流量计的平面剖面图。
图11是图8所示的超声波流量计的中继端子的平面图。
图12是图11所示的中继端子的剖面图。
图13是本发明的实施方式7的另一种超声波流量计的主要部分的侧面剖面图。
图14A是本发明的实施方式8的超声波流量计的剖面图。
图14B是图14A的主要部分的放大剖面图。
图15是本发明的实施方式9的超声波流量计的中继端子的剖面图。
图16是在本发明的实施方式9的超声波流量计的中继端子中所使用的引销(pin)的立体图。
图17是现有的超声波流理计的剖面图。
具体实施例方式
以下，参照
本发明的实施方式。在各实施方式中，对于与前面的实施方式相同的结构，标注相同的符号，省略其详细说明。另外，本发明不是仅限于这些实施方式。
(实施方式1)图1、图2是本发明的实施方式1的超声波流量计的剖面正视图和侧面剖面图。流体流动的本流路10全长为300mm，它具有用于测量流量的中央部直径为115mm，长度为135mm的鼓起部8、和上游、下游的节流部7、9。在本流路10中，设置板厚为0.5mm的分割构件13，将该本流路10分割成格子状，形成小流路11，在小流路11的一部分上设置测量流路12。测量流路12的截面为纵向15mm、横向22mm的矩形，在与纵向相对的面上，与流路倾斜地安装一对超声波振子(以下称为振子)14A、14B。分割构件13用不锈钢或铝制成，而构成测量流路12的分割构件13由铝制成。分割构件13既可以是将多块平板组合起来构成的，也可以是体地构成的。另外，构成测量流路12的部分与构成其它小流路11的部分可以分别地形成。在测量流路12内，相对向设置的振子14A、14B的直径为10mm。超声波振子驱动用的线路15，将设置在本流路10的外部的流量检测部21与振子14A、14B电连接，并将其固定，使得流体的流动不会引起线路振动。本实施方式1中所用的起声波振子的驱动频率为100～600kHz。
在以上的结构中，在测定流量的情况下，从上游侧的振子14A，沿着流体的流动方向发出超声波。利用下游侧的振子14B接收该超声波，流量检测部21测量超声波从振子14A至振子14B的传播时间。另外，相反地，从振子14B与流动相反地发出超声波，利用振子14A接收该超声波，测量超声波从振子14B至振子14A的传播时间。然后，由该二个传播时间计算在测量流路12中流动的流体的平均流速，由预先求出的测量流路12和本流路10的各自的截面积、连结振子14A、14B的轴线和流体流动方向的倾斜度等，流量检测部21计算出流体的流量。
这样，通过将分割构件13与流动平行地设置，测量流路12不会大型化。另外，超声波振子14A、14B的灵敏度也不降低，消耗电流也不会增大。在流体中，也不会产生不规则的漩涡和停滞点等，可以稳定和高精度地进行流量测量。利用这种结构，可以在从0.1m3/h左右的小流量至300m3/h的大流量这样宽的流量范围内，得到再现性好的可测量流量的超声波流量计。
另外，如果设定小流路11的截面积和测量流路12的截面积大小大致相同，则各个小流路11的流量和测量流路12的流量大致相同。在这种情况下，通过乘以全流路和测量流路12的面积比2，容易测量全流量。另外，优选为，测量流路12的截面为矩形状，超声波振子设置在短边的面上，长边配置为水平方向。即，优选使分割构件13形成为格子状。在这样的结构中，测量流路12内的自然对流少，当在本流路10中没有流体流动时，振子14A、14B不会错误地检测流量。因此，可得到可靠性高的超声波流量计。
另外，本流路10优选具有内装分割构件13和测量流路12的中央部比入口、出口大的鼓起部8。如果本流路10的内径完全与连接管路的内径相同，则分割构件13和测量流路12的截面积中的有效开口面积减�。沽λ鹗г龃�。或者，测量流路12内的流速增加，超过能测量的范围。因此，通过增大内装测量流路12的中央部的内径，确保所需要的截面积，抑制压力损失的增加至可以测量的流速以下。
其次，简单地说明这种超声波流量计的制造方法。首先，利用铝压铸成形，形成流体流动的管状的本流路10。其次，与本流路10的流动方向平行地安装多个分割构件13，在鼓起部8内形成包含测量流路12的多个小流路11。这时，形成测量流路12，在与纵向相对向的分割构件13上，与流路倾斜地预先安装振子14A、14B，使它们在形成测量流路12时相对向地配置。然后，在下游侧安装预先由树脂成形制成的节流部9。然后，在本流路10的外部安装流量检测部21，与振子14A、14B电连接。
这时，也可以利用铝的挤压成形，将本流路10和分割构件13的一部分作成一体。另外，在用铝成形制成本流路10的情况下，节流部7、9也可以是同一形状，相对于本流路10，以分体部件的方式成形。由于在挤压成形中只用冲模就能成形为任意形状，所以可以大量、廉价地加工。因此，可以廉价地得到可靠性高的超声波流量计。
(实施方式2)图3是本发明实施方式2的超声波流量计的侧面剖面图。本实施方式与实施方式1的不同点是，形成测量流路12以外的分割构件14，呈放射状形成。另外，分割构件14的厚度是1～2mm左右，它从本流路10一体地向半径方向的中心方向延伸。除此之外的结构与图1所示的超声波流量计的结构相同。
在这种结构中，测量流路12不会大型化。另外，超声波振子14A、14B的灵敏度也不会降低，消耗电流也不会增大。在流体中也不会产生不规则的漩涡和停滞点等，可以稳定而高精度地进行流量测量。
流体流动的管状的本流路10和分割构件14，优选与实施方式1同样，由铝的挤压成形作成一体。朝向半径方向的中心部形成的多个分割格子14的前端，保持着形成测量流路12的分割格子13，并且配置在给定的位置。由于在挤压成形中只用冲模就能形成为任意形状，所以可以大量、廉价地加工。
(实施方式3)图4是本发明的实施方式3的超声波流量计的侧面剖面图。本实施方式与实施方式1的不同点是，测量流路12处于偏离本流路10的中心的上方，设置在具有本流路10的平均流速的位置。除此之外的结构与图1所示的超声波流量计的结构相同。
通常，当与本流路10连接的供给管路长度较长时，本流路10的入口的流速分布是中心部相对于外周部较快。即，从中心部至外周部之间，存在有显示本流路10的平均流速的位置。因此，在本实施方式中，通过使测量流路12位于该偏心位置，可测量本流路10的平均流速。因此，利用本结构可以高精度地测定流量。
另外，测量流路12的截面积约为本流路10的截面积的1/15～1/30以下。如果在测量流路12中测量本流路10的平均流速，测量流路12和本流路10的面积比已确定，则可以测量在本流路10中流动的流体的全流量。由此，在流动中不会产生不规则的漩涡和停滞点，得到平滑的流动，得到可以稳定地测量、在广范围的流量域中高精度的超声波流量计。
另外，将具有超声波振子14A、14B的测量流路12设置在本流路10中，可用金属等导电性材料构成分割构件13。利用这种结构，可将超声波振子14A、14B电屏蔽，避免电磁波噪声。由此，电气噪声的影响大大降低，可使超声波流量计很稳定。
通常，超声波振子的发送侧用高电压、高频率的脉冲驱动。因此，在接收侧的超声波振子上容易输入作为电磁波的电气噪声、测量电路复杂等，难以高精度地测量微小流量。但如本实施方式这样，利用对发送信号、接收信号的超声波振子进行电气屏蔽的结构，可减少噪声，得到高精度的超声波流量计。该效果在其它实施方式中也可同样发挥。
(实施方式4)图5是本发明的实施方式4的超声波流量计的正面剖面图。本实施方式与实施方式1的不同点是，在测量流路12的入口处设置调整进入测量流路12的流体内外的比率的倾斜构件12A。除此之外的结构与图1所示的超声波流量计的结构相同。利用这种结构，即使在低流量情形下，流体也容易流入测量流路12中。
因此，由于流体从小流量至大流量以一定的比例流入测量流路12，所以乘以一定的面积比，可以高精度地测量本流路10的全流量。
(实施方式5)图6是本发明的实施方式5的超声波流量计的侧面剖面图。本实施方式与实施方式1的不同点是，在由分割构件13构成的多个小流路11内，封闭一部分，构成封闭部16。而且，连接超声波振子和配置在本流路10的外部的流量检测部21的线路15，通过闭塞部16。除此之外的结构与图1所示的超声波流量计的结构相同。
例如，将由分割构件13构成的小流路11的一部分以4～5mm宽封闭其一端，构成闭塞部16，将线路15插入间隙中。通过使线路15在封闭部16中通过，可防止由流体造成的线路15振动、连接部等断线的情形，可以得到可靠性高的超声波流量计。
另外，优选为，使测量流路12的流动方向的长度与由分割构件13构成的多个小流路11的长度大致相同。例如，在测量流路12的长度为130mm的情况下，小流路的长度为110mm～150mm。由此，测量流路12和小流路11的压力损失保持平衡，流速大致相同，可得到可靠性高的超声波流量计。该效果在其它实施方式中也可同样发挥。
(实施方式6)图7是本发明的实施方式6的超声波流量计的正面剖面图。本实施方式与实施方式1的不同点是，在本流路10中央部的鼓起部17的下部设置有排出口18。除此之外的结构与图1所示的超声波流量结构相同。
在供给气体中，除尘埃外，还含有焦油、水分，它们附着的管路内的突起和障碍物上，经过长期使用，这些附着物对测量性能有影响。如果在鼓起部17的下部设置排出口18，则不需要分拆超声波流量计，可以定期地将这些附着物排出。因此可得到在长时间内可以进行可靠性高的测量的超声波流量计。
(实施方式7)图8是本发明的实施方式7的超声波流量计的侧面剖面图，图9是正面剖面图，图10是平面剖面图，图11、图12表示中继端子的平面图、剖面图。本实施方式与实施方式1的不同点是，流量检测部21和超声波振子14A、14B的连接方法。除此之外的结构，基本上与实施方式1相同。
即，本流路10的全长为300mm，其具有测量流量的中央部直径为125mm、长度为135mm的鼓超部17；和，上游、下游的节流部7、9。上游的节流部7由铝压铸件或铸铁与本流路10构成为一体，下流的节流部9用聚甲醛(POM)等树脂制成。另外，节流部7与节流部9同样，可以是单件。本流路10的中间，用板厚为0.5mm的分割构件13，分割成格子状，测量流路12设置在这些小流路11的一部分上。测量流路12的截面是纵向15mm、横向22mm的矩形，在与纵向相对向的面上，与流路倾斜地设置一对的超声波振子(以下称为振子)14A、14B。构成测量流路12的分割构件13是铝，除此之外的格子状的分割构件13用不锈钢制成。
图中的箭头表示流体的流动方向。振子14A、14B的直径是10mm。超声波振子驱动用的信号线25、26穿过用分割构件13夹持的管27内，使得流体的流动不会引起振动。
流量检测部21设置在本流路10的外侧。流量检测部21包括具有测量超声波在振子14A、14B之间的传播时间的计时部21A和流量检测电路部21B的印刷电路基板39。中继端子38A的引销28插入印刷电路基板39的连接器29中，引销28直接与印刷基板39连接。在本流路10的内侧，引销28的另一端与超声波振子14A、14B的信号线25、26电连接。另外设置在中继端子38A上的引销28为4根，由于将一对的超声波振子14A、14B的4根引线集中在一个地方连接，所以作业性好。再者，由于中继端子38A在一个地方结束，所以密封部位为1个，装配工序数减少，价格降低。在成本方面有利的同时，针对于泄漏的可靠性也提高。
另外，中继端子38A密闭覆盖在大致水平地设置的本流路10的上部上设置的贯通孔37。供给管路中的尘埃、胶质、水滴等有时附着在本流路10的内面和测量流路12上，有时堆积在下部。即使在这种情况下，由于端子部位于上部，所以尘埃、胶质、水滴等难以附着在端子部上，因此可以得到不用分拆、长时间地能够进行可靠性高的测量的超声波流量计。
在利用图6说明的实施方式5中，线路15穿过封闭部16，但为了确保本流路10的密闭性，需要将密封材料等涂布在设置于本流路10和封闭部16上的贯通孔中。但是，在需要更换超声波振子14A、14B的情况下，在除去该密封材料、拔出线路更换后，必须再涂布。或者，由于流体从构成线路15的芯线和护套之间泄漏，有可能不能保持气密。与此相对，在该结构中，超声波振子14A、14B容易更换。另外，即使施加0.1MPa的内压也没有泄漏，可以在从0.1m3/h左右的小流量至300m3/h的大流量的宽的流量范围内，得到再现性好可以稳定进行流量测量的超声波流量计。
另外，在中继端子38A上，利用保持规定距离的特殊玻璃来密封多个引销28，该引销28则贯通设置于由不锈钢等的金属基底构成的法兰盘30上的贯通孔中。即，引销28利用具有气密性、耐压性的玻璃密封材料31进行密封。由于中继端子38A由玻璃来密封，气密性好，在1×10-10Pa·m3/sec以下的气密性下，耐热性、耐振性都优异，可以在严酷的环境下使用。另外，在本流路10的贯通孔外周上，在法兰盘30的外周稍微向内的内侧上设置槽，通过作为衬垫的O形圈36，与本流路10气密地固定。
另外，通过使用玻璃作为密封材料，可以确保引销之间尺寸、引销的突出部分等引销的尺寸精度。在中继端子38A的背面表面突出的引销28的外侧端，从背面侧插入设置在印刷电路基板39上的孔中，与设置在印刷电路基板39表面侧上的连接器29电连接。引销28和连接器29用引线连接也可以。另外，引销28的另一端和超声波振子14A、14B用引线连接。利用这样的结构，既可以确保气密性，又可以进行电连接。配置多个引销28，使得各引销之间的距离和各个引销与法兰盘30的距离相同。法兰盘30的厚度为1.5～3mm左右，各引销的外径为1mm左右。
利用这样的结构，与实施方式1同样，测量流路12的尺寸不会增大，超声波振子14A、14B的灵敏度不降低，消量电流不会增大。另外，玻璃的物理性质稳定，可以长期地进行稳定和高精度的流量测量。即，利用玻璃密封材料31的密封气密地密封，可以得到可在长期具有高可靠性、产生泄漏的不良情况少的超声波流量计。
另外，中继端子38A设置在本流路10的外侧，设置具有气密性、可以覆盖至少是计时部21A、流量检测电路部21B和中继端子38A的壳体35。壳体35通过本流路10和衬垫34达到气密。因此，万一从中继端子38A或中继端子38A的安装密封面发生泄漏，利用壳体35，可以防止向外部漏出。通过这样的冗长设计可得到安全性更提高的超声波流量计。
另外，在本实施方式中，引销28伸出，直接与印刷电路基板39电连接，但如图13所示的中继端子38B那样，如果使用与引销28连接的引线40、41与印刷电路基板39连接，则不需要使用引销28和印刷电路基板39的位置关系固定，配置的自由度提高。
(实施方式8)图14A表示本发明的实施方式8的超声波流量计的中继端子38C。图14B是其主要部分的放大剖面图。中继端子38C一体地设置在具有计时部21A和流量检测电路部21B的印刷电路基板39的一部分上，引销28压入印刷电路基板39的贯通孔51和背面表面的突缘52中。在该结构中，与印刷电路基板39连接的焊锡55使引销28具有作为密封件的功能。在该结构中，不需要连接中继端子38C和印刷电路基板39的引线。当引线长时，作为电磁波的电气噪声容易进入接收侧的超声波振子中，需要用于防止噪声和提高信/噪(S/N)比的对策，测量电路复杂，难以高精度地测量微小的流量。与此相对，如本实施方式这样，通过采取缩短引线长度的结构，发出信号和接收信号的超声波振子受到的电气噪声减小。因此，可得到噪声低、精度高的超声波流量计。
(实施方式9)图15表示本发明的实施方式9的超声波流量计的中继端子38D的剖面。多个引销28，通过利用氯丁二烯橡胶、NBR(丙烯腈-丁二烯橡胶)等的橡胶32进行烧接粘接，密封在法兰盘30上。利用这种结构，可以兼顾气密性和电连接。这种结构可用便宜的模具制造，即使在生产数量少的情况下，也容易以便宜的成本进行生产。
另外，在引销28的安装部的孔53中，通过实施去毛刺加工30A，可以增厚作为密封件的橡胶32的充填厚度，可以更提高密闭性。
而且，若将密封件宽的面54配置在施加气体压力的本流路10侧，则利用气体压力，可更提高密闭性。
又如图16所示，优选在多个引销28的表面上实施微细的滚花加工33。由此，引销28的表面和橡胶32的亲和性、紧贴性进一步提高，引销28针对于轴向和圆周方向的外力的强度提高。因此，可得到气密性可靠、没有泄漏、可靠性高的超声波流量计。即使对实施方式7的引销28采用滚花加工33，也可使引销28和玻璃密封材料31的亲合性、紧贴性提高，所以这是优选的。
如上所述，本发明的超声波流量计，可以测量设置在小流路的一部分上的测量流路的流速，算出大口径的本流路的全流量。因此，测量流路不会大型化，超声波振子的灵敏度不降低，消耗电流也不增大。另外，还可提供在流体中不产生不规则的漩涡和停滞点等、可以稳定地进行流量测量的高精度的超声波流量计。该超声波流量计，在利用超声波测量气体、水等流体的流量中是有用的。
权利要求
1.一种超声波流量计，其特征在于包括流体流动的管状的本流路；与流体流动方向平行地设置在所述本流路内的测量流路；与流体流动方向倾斜地设置在所述测量流路的侧面上、发出接收超声波的一对的超声波振子；测量超声波在所述超声波振子之间的传播时间、检测在所述测量流路中流动的流量的流量检测部；和将所述测量流路支持在所述本流路内的同时、将所述本流路分割为多个小流路的分割构件。
2.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于所述分割构件形成为格子状和放射状中的任一种形状。
3.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于所述本流路实质上是水平地设置，所述测量流路偏离所述本流路的中心处于上方，位于具有所述本流路的平均流速的位置。
4.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于还包括设置在所述测量流路的入口处、调整进入所述测量流路中的流体的内外比率的倾斜部。
5.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于所述流量检测部设置在所述本流路的外部，还包括连接所述一对的超声波振子和所述流量检测部的线路；和在由所述分割构件构成的所述多个小流路之中封闭所述线路通过的小流路而设置的封闭部。
6.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于所述测量流路的流动方向的长度和所述多个小流路的长度实质上相同。
7.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于所述本流路在内装有所述分割构件和所述测量流路的中央部具有内径比入口、出口大的鼓起部。
8.如权利要求7所述的超声波流量计，其特征在于所述本流路实质上是水平地设置，还包括设置于所述鼓起部的下部的排出口。
9.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于所述多个小流路的截面积和所述测量流路的截面积实质上相同。
10.权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于所述测量流路的剖面是矩形状，所述超声波振子配置在短边的面上。
11.如权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于还包括中继端子，该中继端子包括将贯通所述本流路而设置的第一贯通孔闭塞的法兰盘；贯通设置于所述法兰中的第二贯通孔而设置的多个引销；和将所述引销固定在所述法兰盘上的密封材料；所述流量检测部配置在所述本流路的外侧，通过所述中继端子，与所述超声波振子电连接。
12.如权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于所述流量检测部具有印刷电路基板，所述法兰盘用所述印刷电路基板构成，所述密封材料用焊锡构成，所述多个引销插入设置于所述印刷电路基板的贯通孔中。
13.如权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于所述密封材料是玻璃密封材料和橡胶材料中的任一种。
14.如权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于在所述多个引销的表面上实施微细的滚花加工。
15.如权利要求11所述的超声波流量计，其特征在于所述中继端子设置在所述本流路的外侧，还具有至少覆盖所述中继端子、并且与所述本流路气密地设置的壳体。
16.一种超声波流量计的制造方法，其特征在于包括A)利用铝形成流体流动的管状的本流路的步骤；B)在形成包含测量流路的多个小流路的分割构件之中、将一对的超声波振子安装在形成所述测量流路的部分上的步骤；C)在与所述本流路的流动方向平行地形成所述分割构件的步骤；D)将流量检测部安装在所述本流路的外部的步骤；和E)将所述流量检测部和所述一对的超声波振子电连接的步骤，在所述B步骤中，将所述一对的超声波振子、与所述本流路的流动方向倾斜地且互相对向地安装在形成所述测量流路的所述分割构件的部分。
17.如权利要求16所述的超声波流量计的制造方法，其特征在于利用铝的挤压成形，一体地形成所述本流路和所述分割构件的至少一部分。
全文摘要
本发明提供一种超声波流量计。将具有一对的超声波振子的测量流路设置在用分割构件隔开的本流路内的小流路的一部分上，从测量流路的流量和面积比计算出本流路的全流量。小流路、测量流路与流体的流动方向平行地配置在本流路内。利用这种结构，在本流路内流动的流体不会沿着分割构件形成流动不规则的漩涡和停滞点。另外，不需要增大一对的超声波振子之间的距离，可提供消耗电力低、高精度的超声波流量计。
文档编号G01F1/66GK1616932SQ20041008104
公开日2005年5月18日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年11月10日
发明者乾善纪, 新村纪夫, 长冈行夫, 梅景康裕 申请人:松下电器产业株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
